DỰ ĐOAN TUỔI THỌ CON LẠI CỦA CẦU TRÀ KHÚC THEO LÝ THUYẾT MỎI. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Trong luận văn này, học viên dựa vào phương pháp Palmgren – Miner để phân tích tuổi thọ mỏi còn lại của cầu nhịp thép từ kết quả đo đạc ứng suất thực tế, có đưa vào các hệ số quy đổi từ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Thân Đức Phúc

TÓM TẮT LUẬN VĂN

DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CẦU TRÀ KHÚC

THEO LÝ THUYẾT MỎI

Học viên: Thân Đức Phúc

Mã số: 8580205 Khóa: K34

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng CTGT Trường Đại Học bách Khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Đánh giá tuổi thọ còn lại của kết cấu là một bài toán rất quan trọng, giúp cho đơn vị

quản lý có cơ sở để có kế hoạch nâng cấp công trình, đầu tư công trình để giữ vững yếu tố kỹ thuật của mạng lưới cầu Trong luận văn này, học viên dựa vào phương pháp Palmgren – Miner để phân tích tuổi thọ mỏi còn lại của cầu nhịp thép từ kết quả đo đạc ứng suất thực tế, có đưa vào các hệ số quy đổi

từ mô hình phần tử hữu hạn

Từ khóa: Tuổi thọ còn lại, phương pháp palmgren – Miner, kết quả thí nghiệm

PREDICT REMAIN FATIGUE LIFE OF TRA KHUC BRIDGES ACCORDING

TO THE FATIGUE THEORIES

Abstract: Rating the remain fatigue life of the bridge structures is importance problem,

helping management units have the basis to plan for modernization of works, investment projects for maintenance of technical network bridges In the thesis , students based on the Palmgren-Miner method

to analyze the remaining fatigue life of the steel spherical bridge from experiment test results, incorporating the transform coefficients from the Finite element method

Key words: remain fatigue life, palmgren – Miner method, experiment

test results.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của Luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU TRÀ KHÚC – TỈNH QUẢNG NGÃI 3

1.1 Tổng quan về công trình cầu Trà Khúc cũ – Tỉnh Quảng Ngãi 3

1.2 Hiện trạng cầu 7

1.2.1 Kết cấu phần trên 7

1.2.2 Kết cấu phần dưới 9

1.3 Tổng quan các phương pháp dự đoán tuổi thọ công trình cầu 10

1.3.1 Khái niệm chung 10

1.3.2 Phương pháp suy đoán 10

1.3.3 Phương pháp tính toán 11

1.3.4 Phân tích chọn phương pháp 16

1.4 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CÔNG TRÌNH CẦU THEO LÝ THUYẾT MỎI 19

2.1 Đường cong mỏi chuẩn 19

2.2 Phổ tải trọng công trình 22

2.2.1 Tải trọng của đoàn xe 22

2.2.2 Phương pháp đo đạc 23

2.2.3 Lập phổ tải trọng 26

2.3 Tổn thương tích lũy công trình 30

2.3.1 Công thức của Palmgren-Miner 30

2.3.2 Tính toán tổn thương tích lũy 33

2.4 Phân tích mô hình xác định các hệ số điều chỉnh 35

2.5 Tuổi thọ còn lại của công trình 36

2.6 Kết luận chương 2 36

CHƯƠNG 3 DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CÔNG TRÌNH CẦU TRÀ KHÚC TỈNH QUẢNG NGÃI 37

3.1 Kết quả đo đạt thực nghiệm 37

3.1.1 Dụng cụ đo 37

3.1.2 Tiến hành đo 37

3.1.3 Xử lý số liệu đo 40

3.2 Xây dựng phổ ứng suất 41

3.3 Tuổi thọ công trình cầu Trà Khúc theo phương pháp ứng suất 44

3.3.1 Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn Châu Âu (EC3) 44

3.3.2 Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn AASHTO 45

3.4 Nhận xét về kết quả 46

3.5 Kết luận chương 3 46

KẾT LUẬN 47

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2.1 Bảng các số liệu cơ bản về độ bền mỏi của thép cơ bản 20

2.3 Bảng xác định hệ số quy đổi gắn thiết bị đo về thanh chịu lực bất lợi

1.10 Phạm vi áp dụng của các phương pháp tính tuổi thọ công

1.11 Điều kiện kiểm tra theo mỏi và kiểm tra theo tuổi thọ 14

1.12 Biểu đồ mô tả vòng lặp ứng suất – biến dạng và các điểm

2.1 Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn Châu Âu EC3 20

2.3 Các bộ phận của “Wireless Structural Bridges Testing

2.4 Nguyên lý hoạt động của “Wireless Structural Bridges

2.6 Đếm chu kỳ ứng suất theo phương pháp dòng mưa 29

2.11 Biểu đồ so sánh giữa các trị số đường cong mỏi với phổ ứng

Số hiệu

3.1 Nhịp gần mố cầu Trà Khúc (hướng Tp Hồ Chí Minh) 37

3.4 Lắp đặt các node và khởi động phần mềm đo 39

3.8 Biểu đồ ứng suất theo thời gian (trong ngày) 41

3.11 Đường cong mỏi được chọn theo tiêu chuẩn EC3 44 3.12 Đường cong mỏi được chọn theo tiêu chuẩn AASHTO 45

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

- Công trình cầu nói chung sau một thời gian khai thác chịu ảnh hưởng của rất nhiều các yếu tố chủ quan cũng như khách quan mang lại Công việc đánh giá khả năng đáp ứng yêu cầu thực tế của các công trình cầu tại các giai đoạn cụ thể có ý nghĩa

vô cùng quan trọng, giúp nhà quản lý đưa ra các quyết định chính xác, kịp thời như:

Tiếp tục khai thác bình thường; Cần sửa chữa để tiếp tục khai thác hay là phải đầu tư

xây dựng mới

- Những năm gần đây, cùng với quá trình hội nhập khu vực quốc tế, tải trọng khai thác theo thời gian cũng phát triển cả về quy mô và tần suất, những tính toán tại thời điểm thiết kế nhiều lúc chưa định lượng được hết sự thay đổi đó dẫn đến các công trình cầu sau thời gian dài khai thác với nhiều cấp tải trọng khác nhau sẽ tiềm ẩn rất cao những rủi ro trong quá trình khai thác

- Để trả lời được câu hỏi quan trọng ở trên thì việc giải quyết bài toán dự đoán tuổi thọ công trình cầu là công việc rất cần thiết góp phần hỗ trợ cho các nhà quản lý ở Việt Nam Các nghiên cứu về đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại của kết cấu cầu cũng thu hút được sự quan tâm của các Trường Đại học [1], các Viện nghiên cứu trong nước [2] cũng như trên thế giới [3], nhưng do bài toán đánh giá tuổi thọ mỏi phụ thuộc rất nhiều yếu tố như tải trọng tác động thực tế, đường cong mỏi (quan hệ biên độ ứng suất và chu kỳ tải trọng) thực tế và sự làm việc trực tiếp của kết cấu

- Cầu Trà Khúc (cũ) tỉnh Quảng Ngãi đã được xây dựng từ rất lâu, hiện tại kết cấu các nhịp cầu đã xuống cấp nhanh, có nhiều hư hỏng không đáp ứng được tải trọng thiết kế Lưu lượng xe lưu thông trên cầu ngày càng nhiều, thành phần dòng xe ngày càng đa dạng sẽ ảnh hưởng nhiều đến khả năng khai thác của cầu

- Xuất phát từ thực tế nguyên nhân đó, đề tài “Dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu Trà Khúc theo lý thuyết mỏi” được đề xuất với mong muốn dự đoán tuổi thọ còn lại của một công trình cầu cụ thể

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng phổ tải trọng theo các kết quả thực nghiệm

- Dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu Trà Khúc cũ

3 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

- Lý thuyết mỏi

- Cầu Trà Khúc cũ

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết mỏi

- Các kết quả thực nghiệm của cầu Trà Khúc cũ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đánh giá được tuổi thọ còn lại của cầu Trà Khúc cũ theo lý thuyết mỏi

- Ứng dụng để đánh giá tuổi thọ kết cấu các công trình cầu khác

6 Cấu trúc của Luận văn

Đề tài nghiên cứu gồm phần mở đầu và 3 chương

Mở đầu

- Lý do chọn đề tài (Sự cần thiết phải nghiên cứu)

- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan về công trình cầu Trà Khúc – tỉnh Quảng Ngãi

Chương 2 Cơ sở dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình cầu theo lý thuyết mỏi Chương 3 Dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình cầu Trà Khúc tỉnh Quảng Ngãi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU TRÀ KHÚC – TỈNH QUẢNG NGÃI

1.1 Tổng quan về công trình cầu Trà Khúc cũ – Tỉnh Quảng Ngãi

Cầu Trà Khúc (cũ) nằm tại lý trình Km1055+464 thuộc tuyến Quốc lộ 1A qua tỉnh Quảng Ngãi Cầu được xây dựng và đưa vào khai thác năm 1966 Các thông số kỹ thuật của cầu như sau:

Hình 1.1 Cầu Trà Khúc - Quảng Ngãi

Hình 1.2 Mặt cắt ngang cầu Trà Khúc

+ Kết cấu phần trên

- Chiều dài toàn cầu: Ltc = 643,0 (m)

- Kết cấu nhịp: gồm 20 nhịp dầm thép giản đơn không liên hợp với bản bê tông cốt thép, Lnhịp = 31,6 (m)

- Mặt cắt ngang gồm 4 dầm chủ (dầm thép đặc chữ I), mặt cắt chữ I cao 1,22m, khoảng cách tim các dầm là 2,15m

- Dạng dầm ngang: sử dụng hệ khung cữ X và K ngược, dùng thép L100*100*10 (mm)

- Bề rộng mặt đường xe chạy 7,5m, bề rộng toàn cầu B=7,5+2x0,5+2x0,25=8,9 (m)

- Các lớp mặt cầu: Lớp bê tông nhựa dày 7cm; lớp phòng nước dày 0,5cm; lớp bản mặt cầu bằng BTCT dày 15cm

- Vật liệu đường bộ hành bằng bê tông xi măng và vật liệu lan can, tay vịn bằng thép mạ kẽm

- Tải trọng khai thác của cầu: 25T

- Trụ cầu: Cấu tạo trụ gồm 19 trụ cầu có cấu tạo giống nhau, dạng trụ dẻo bằng BTCT Xà mũ trụ bằng BTCT đặt trên hai hàng, mỗi hàng 4 cọc BTCT, 02 cọc biên đóng xiên theo hai phương; Móng trụ được đặt trên nền cọc thép nhồi bê tông Qua kiểm tra hiện trạng, nhận thấy một số trụ bị bong tróc lớp bảo vệ cốt thép nhưng về cơ bản vẫn đảm bảo được chất lượng khai thác

+ Lịch sử duy tu bảo dưỡng và sửa chữa:

- Năm 1996: Gia cường nhịp 1 (phía đi Hà Nội) bằng cách sử dụng trụ tạm và kích chèn lại gối kê Nhịp 1 bị pháo kích phá hỏng 3 phiến dầm

- Năm 2000: Sửa chữa lại khe co giản mới bằng khe co giãn cao su; tiến hành thảm lại lớp bê tông nhựa mặt cầu để đảm bảo xe cộ lưu thông êm thuận và thay gối

cầu bằng gối cao su cốt bản thép; Tiến hành sửa chữa các liên kết ngang bằng cách hàn gắn những vị trí bu long bị hoăn gỉ, mất liên kết

- Năm 2011: Hệ thống lan can tay vịn trên cầu bị hư hỏng nên phải tiến hành sửa chữa hệ thống lan can mới bằng thép và thảm tăng cường lại bê tông nhựa mặt cầu

Hình 1.5 Cấu tạo Mố cầu Trà Khúc

Hình 1.6 Cấu tạo Trụ cầu Trà Khúc (Cũ)

1.2 Hiện trạng cầu

Cầu Trà Khúc được xây dựng từ rất lâu nên kết cấu nhịp cầu hiện tại đã xuống cấp, có nhiều hư hỏng không đáp ứng được yêu cầu tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn H30, XB80 theo 22TCN 18-79 Cầu hiện đang khai thác tải trọng khoảng 25 tấn (trích

từ hồ sơ lý lịch cầu của đơn vị quản lý cầu) Trải qua thời gian dài khai thác và sự phát triển kinh tế xã hội làm cho lưu lượng xe tham gia giao thông trên tuyến ngày càng cao, nhiều xe tải trọng nặng Vì vậy, tải trọng cầu đáp ứng không còn phù hợp, những cầu mới xây dựng trên tuyến trong những năm gần đây thiết kế với tải trọng H30-XB80 (theo 22TCN18-79) hoặc HL93 (theo AASHTO LRFD hoặc theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 của Việt Nam) Một số hư hỏng cầu Trà Khúc cụ thể như sau:

1.2.1 Kết cấu phần trên

- Qua kiểm tra, khảo sát hiện trạng Cầu Trà Khúc (cũ) nhận thấy hệ dầm chủ và

hệ liên kết ngang xuất hiện nhiều các vết gỉ tại nhiều vị trí của dầm và hệ liên kết ngang, lớp sơn phủ bề mặt ngoài của dầm chính và hệ liên kết ngang đã bị bong tróc nhiều vị trí, bạc màu; một số liên kết bu lông đã bị đứt gãy hoặc bị mài mòn tại các vị trí liên kết giữa các dầm, giữa hệ liên kết ngang với dầm chủ, qua đánh giá thì không đảm bảo liên kết chịu lực

Hình 1.7 Dầm thép và hệ liên kết bị gỉ

- Bản mặt cầu: hiện tại lớp phủ bê tông nhựa mặt cầu đã xuất hiện nhiều hư hỏng như bị bong vỡ nhiều vị trí cục bộ, nứt nẻ và có một số ổ gà, mặt nhựa xuất hiện các vết nứt chạy dài dọc cầu, nhựa dồn u, bong tróc nhiều vị trí

- Hệ thống khe co giản trên cầu bị bong vỡ, bê tông liên kết khe co giản bị hư hỏng nặng dẫn đến bê tông khe co dãn, tấm cao su bị bong bật gây ảnh hưởng đến an toàn cho người và xe cộ khi lưu thông qua cầu

Hình 1.8 Hư hỏng khe co giãn và lớp phủ mặt cầu 1.2.2 Kết cấu phần dưới

- Mố cầu: qua kiểm tra, quan sát thực tế hiện trạng các mố của cầu có chất lượng bê tông còn tốt

- Trụ cầu: các chân trụ cầu đang bị hư hỏng nghiêm trọng, phần bê tông bị bong tróc, bào mòn gần hết, lòi phần sắt thép bên trong

Hình 1.9 Hư hỏng trụ cầu, bào mòn bê tông trụ

Như vậy, Quốc lộ 1 là tuyến giao thông huyết mạch của quốc gia có ý nghĩa đặc biệt quan trọng sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, văn hóa, ổn định an ninh chính trị của đất nước Cầu Trà Khúc (cũ) là một trong số các công trình trên tuyến Với các yếu tố kỹ thuật và tình trạng hư hỏng của cầu như đã phân tích ở trên nhận thấy cầu đang bị hư hỏng và xuống cấp ở kết cấu nhịp Vì vậy cần phải sửa chữa gia cường hệ dầm chủ để duy trì và tăng khả năng khai thác của cầu

1.3 Tổng quan các phương pháp dự đoán tuổi thọ công trình cầu

1.3.1 Khái niệm chung

- Tuổi thọ công trình hay một bộ phận công trình là khoảng thời gian kể từ khi đưa công trình đó vào sử dụng đến khi đạt đến trạng thái giới hạn, đó là thời điểm không còn sử dụng công trình được nữa do các nguyên nhân suy thoái hữu hình hoặc vô hình sinh ra

- Để đánh giá tuổi thọ công trình người ta xem nguyên nhân suy thoái hữu hình là quan trọng hơn cả, có tính chất quyết định Dạng suy thoái hữu hình thể hiện ở sự sa sút tính chất cơ học của vật liệu, làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, qua đó làm giảm giá trị sử dụng so với ban đầu Dạng suy thoái này được đánh giá bằng các tổng hợp các tổn thương ở những mức độ khác nhau của từng cấu kiện cơ bản

- Suy thoái vô hình được đánh giá dựa vào mức độ giảm giá công trình do sự tiến

bộ của khoa học và công nghệ Nó còn là mức độ bất hợp lý về công dụng và chức năng,

là sự lạc hậu trong sử dụng và được đánh giá bằng những phí tổn để khắc phục tình trạng lạc hậu cũng như khắc phục các bất hợp lý đó

- Đối với mỗi công trình, khi một bộ phận phụ thuộc bị hư hỏng ví dụ như lớp phủ bản mặt cầu hay lan can bị hỏng thì cây cầu đó vẫn chưa hết tuổi thọ Nhưng nếu một bộ phận chịu lực chính như dầm chủ bị gãy hay một thanh cơ bản trong giàn chủ bị đứt thì toàn bộ cây cầu sẽ hết tuổi thọ Vì vậy dự đoán tuổi thọ cho công trình chính là

dự đoán tuổi thọ cho một bộ phận hay một cấu kiện chịu lực chính của công trình đó

- Trên thực tế có nhiều phương pháp dự đoán tuổi thọ công trình, chúng được chia

ra làm hai loại: một loại là các phương pháp suy đoán và các phương pháp tính toán

1.3.2 Phương pháp suy đoán

- Phương pháp suy đoán dựa trên cơ sở thống kê toán học đơn giản từ các số liệu kinh nghiệm trước đó và qua các kết quả khảo sát đo đạc thực tế Từ đó có thể suy đoán được tuổi thọ của các loại công trình Thí dụ đối với cầu bê tông cốt thép, qua thống kê cho thấy phần lớn các cầu loại này có tuổi thọ từ 85 đến 100 năm, cầu bê tông cốt thép dự ứng lực có tuổi thọ từ 100 đến 120 năm Đối với cầu thép có tiết diện

hở có tuổi thọ từ 60 đến 70 năm, còn cầu thép tiết diện kín có tuổi thọ lớn hơn khoảng cách từ 85 đến 100 năm [1]

- Những số liệu thống kê trên có thể khác so với tuổi thọ thực tế của mỗi công trình cầu do sự sai lệch do chất lượng của vật liệu, chế độ tải trọng và môi trường ở mỗi công trình Do đó, để dự đoán được gần đúng tuổi thọ của công trình so với thực

tế thì không thể dùng phương pháp suy đoán mà phải áp dụng các phương pháp khác chính xác hơn

1.3.3 Phương pháp tính toán

- Hiện nay có 4 phương pháp xác định tuổi thọ công trình có thể cho kết quả gần đúng, trong đó có một phương pháp thí nghiệm và 3 phương pháp tính Phương pháp thí nghiệm có ưu điểm là khá chính xác nhưng có nhược điểm là tốn kém và qua thí nghiệm chỉ xác định được tuổi thọ của một cấu kiện trong công trình Các phương pháp xác định tuổi thọ công trình còn lại đều dựa trên cơ sở tính toán, đó là phương pháp ứng suất, phương pháp biến dạng và phương pháp cơ phá hủy Độ chính xác của các phương pháp này phụ thuộc vào tính mỏi của vật liệu, chế độ tải trọng và ảnh hưởng của môi trường [1]

- Phạm vi và điều kiện ứng dụng của 3 phương pháp tính toán cũng rất khác

nhau (hình1.10) Chẳng hạn, nếu tái hiện được một cách chính xác các phổ tác dụng

của tải trọng trong quá khứ thì có thể lập được các đường tuổi thọ trên cơ sở phương trình đường cong mỏi thí nghiệm Ưu điểm của phương pháp này là có phạm vi ứng dụng rất rộng, nhược điểm của phương pháp là phải có sẵn các kết quả thí nghiệm mỏi của vật liệu và phổ ứng suất hay còn gọi là phổ tải của các đoàn xe chạy qua

- Trên (hình 1.10) mô tả phạm vi ứng dụng của phương pháp ứng suất, trong đó

thể hiện mô hình phổ ứng suất, đường cong mỏi và các đường tuổi thọ xét ở các thời điểm chớm nứt, nứt cực nhỏ và khi đứt gãy

- Nếu không đủ các thông tin về kết quả thí nghiệm mỏi trên mẫu và không biết lịch sử khai thác cầu thì có thể sử dụng phương pháp phân tích biến dạng ở nơi có ứng suất tập trung Nghĩa là phải tiến hành thí nghiệm mỏi trên mẫu lấy từ một bộ phận trên cầu hiện tại và sau đó thực hiện các bước tính toán theo yêu cầu của phương pháp biến dạng Tuy nhiên phạm vi áp dụng của phương pháp này chỉ đúng đến khi hình thành vết nứt cực nhỏ Trường hợp đã phát hiện thấy có vết nứt ≥ 0,2 mm thì phần

tuổi thọ còn lại chỉ có thể tính theo phương pháp cơ học phá huỷ (hình 1.10)

G·y Nøt cùc nhá

NR

Hình 1.10 Phạm vi áp dụng của các phương pháp tính tuổi thọ công trình

- Độ chính xác của bài toán tuổi thọ công trình phụ thuộc rất nhiều vào tính chất chịu mỏi của vật liệu, chế độ tải trọng trong suốt thời gian khai thác công trình và tác động của môi trường xung quanh

- Trong các phân tích lựa chọn phương pháp phân tích mỏi thường phân chia thành mỏi chu kỳ cao Các lý thuyết mỏi hiện đại cung cấp các phân tích riêng lẽ đối với mỗi pha của quá trình mỏi Các lý thuyết hình thành vết nứt cơ sở trên các giả thiết vết nứt mỏi hình thành bởi những biến dạng cục bộ và ứng suất tập trung trên bề mặt của thành phần kết cấu do dạng hình học là lỗ, không liên tục và bán kính cong Phát triển vết nứt và các trạng thái phá hoại cuối cùng được phân tích bởi quan hệ phát triển vết nứt với ứng suất trong thành phần sử dụng cơ học phá hủy

- Về mặt lịch sử, hai hướng nghiên cứu quan trọng đã phát triển các phương pháp phân tích mỏi Thứ nhất đã là nhu cầu để cung cấp cho các nhà thiết kế và các kỹ sư với phương pháp thực tế, dễ dàng sử dụng và hiệu quả kinh tế Hướng nghiên cứu thứ hai

kết hợp hài hòa những hướng giải tích với sự quan sát vật lý Một trong số quan sát vật

lý quan trọng nhất đó là phân tách quá trình mỏi ra hai pha riêng biệt: tuổi thọ ban đầu

và tuổi thọ lan truyền Trên cơ sở đó, ba phương pháp phân tích mỏi được ứng dụng rộng rãi đó là: phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất, phương pháp theo cơ học phá hủy và phương pháp dự đoán tuổi thọ theo biến dạng Các phương pháp này có miền ứng dụng riêng của chúng với một vài mức độ đan xen giữa chúng

1.3.3.1 Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất

- Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất, gọi tắt là phương pháp ứng suất, lấy ứng suất mỏi hay độ bền mỏi của vật liệu làm đối tượng nghiên cứu Độ bền mỏi được ghi dưới dạng ứng suất  hoặc hiệu ứng   max min

- Các trường hợp phá hoại do mỏi phần nhiều là do con người không nhận thức đầy đủ nên chưa có biện pháp phòng ngừa Tuy nhiên đến nay bài toán kiểm tra mỏi cũng đã được xét đến ở hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế cầu, tiêu biểu là tiêu chuẩn AASHTO của Mỹ và Eurocode của Châu Âu Công thức kiểm tra mỏi đã được đơn giản hóa dưới dạng một bất đẳng thức và sử dụng các hệ số khác nhau để xét đến ảnh hưởng của các điều kiện cụ thể

- Phương pháp này không tách biệt giữa hình thành vết nứt và phát triển vết nứt nhưng giải quyết với tuổi thọ tổng thể hoặc tuổi thọ phá hoại của thành phần kết cấu Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và phá hoại mỏi trong dạng các đường cong S-N, đạt được bởi các mẫu thí nghiệm chu kỳ

ở ứng suất biên độ hằng số tận khi xuất hiện vết nứt Các thí nghiệm được lặp nhiều

lần ở các mức độ ứng suất khác nhau để thiết lập đường cong S-N

- Có hai bài toán kiểm tra, một là kiểm tra độ bền mỏi để đảm bảo kết cấu

không bị phá hoại do mỏi, hai là kiểm tra để dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình

+ Kiểm tra theo độ bền mỏi

Trước hết dựa vào mối quan hệ giữa đường cong mỏi và đường tuổi thọ, ta có thể giả thiết rằng dải tuổi thọ cùng nằm nghiêng và song song với đường cong mỏi (xét trên hệ tọa độ loga) Khi thời gian sử dụng chưa vượt quá tuổi thọ yêu cầu (Nyc), bài toán kiểm tra mỏi ở giai đoạn này chính là kiểm tra theo độ bền mỏi [1]

- Công thức kiểm tra có dạng:  . e D f, (1.1) Trong đó:

-  là hệ số an toàn chung, được xác định theo tiêu chuẩn thiết kế

- e là hiệu ứng suất được tính tương đương của bộ phần kiểm tra mỏi của công trình

-  là hiệu ứng suất mỏi cho phép, trích lấy từ tiêu chuẩn thiết kế

KiÓm tra mái KiÓm tra tuæi thä

Hình 1.11 Điều kiện kiểm tra theo mỏi và kiểm tra theo tuổi thọ

Do đã xét đến độ bền khai thác e nên bài toán kiểm tra độ bền mỏi cũng chính là bài toán kiểm tra độ bền trong quá trình khai thác công trình Điều kiện kiểm tra là độ lớn của độ bền khai thác sau khi nhân với hệ số an toàn chung không được phép lớn hơn ứng suất mỏi cho phép

+ Kiểm tra theo tuổi thọ

Khi thời gian sử dụng vượt quá tuổi thọ yêu cầu (Nyc), công trình cần được

kiểm tra theo tuổi thọ Nếu trong biểu đồ loga (Hình 1.11) dải tản mát của tuổi thọ

chạy tuyến tính với đường cong mỏi W (nghĩa là chạy song song với nhau) thì việc kiểm tra theo độ bền khai thác cũng chính là kiểm tra theo tuổi thọ

Điều kiện kiểm tra là thời gian sử dụng tính theo N phải nhỏ hơn tuổi thọ cho phép: N < Nf

Trong đó tuổi thọ cho phép Nf bằng tuổi thọ thiết Ntk chia cho hệ số an toàn N

1.3.3.2 Dự đoán tuổi thọ kết cấu theo phương pháp cơ học phá hủy

Hướng cơ học phá hủy thường được áp dụng để dự đoán tuổi thọ tích lũy từ vết nứt ban đầu hoặc khuyết tật [1] Theo Paris tốc độ phát triển của vết nứt dưới tác dụng của tải trọng được tính như sau:

Km

da C

dN   (1.2) Trong đó:

dN : là tốc độ phát triển của vết nứt theo số lần lặp tải

Số lần lặp tải hay tuổi thọ kết cấu N được tính như sau:

N= NA + NRTrong đó NR là tuổi thọ còn lại :

Ở đây : NA là số lần lặp tải trước khi có vết nứt ban đầu ao.

N là tổng số lần lặp tải đến khi có vết nứt bằng a

ao là chiều dài vết nứt ban đầu

 là biên độ ứng suất

m là hệ số đặc trưng, thể hiện tính mỏi của vật liệu

Y là hàm quan hệ phụ thuộc vào dạng vết nứt và vị trí của vết nứt

1.3.3.3 Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo biến dạng

Các phương pháp dự đoán tuổi thọ kết cấu, đối với những công trình chịu tác dụng của tải trọng lặp, đều phải dựa vào các đường cong mỏi của vật liệu Đường cong này được xây dựng từ nhiều kết quả thí nghiệm một cấp ứng suất Bài toán được thực hiện trên cơ sở lý thuyết tổn thương tích lũy của Palmgren và Miner Phương pháp này

mô tả rõ tác dụng của tải trọng theo thời gian nhất là trong phạm vi chuyển tiếp giữa biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo tại vị trí yếu nhất trên mỗi cấu kiện của kết cấu

a Biểu đồ ứng suất – biến dạng dưới tác dụng của tải trọng lặp

Dưới tác dụng của tải trọng lặp, trong kết cấu xuất hiện thành phần biến dạng dẻo, biến dạng này phát triển thành vết nứt cực nhỏ, lâu dần vết nứt nhỏ phát triển thành vết nứt lớn rồi dẫn đến phá hoại

Mô tả quá trình đó cho ta biểu đồ ứng suất – biến dạng [1], trong đó quan niệm rằng trước khi kết cấu bị phá hoại đường cong ứng suất – biến dạng lặp theo những chu kỳ ổn định Dưới tác dụng của tải trọng ngẫu nhiên kết cấu bị yếu đi do mỏi Để đánh giá tuổi thọ của kết cấu, ngoài việc xác định đường cong mỏi qua thí nghiệm trên mẫu, cần lập được phổ ứng suất ta phải sử dụng một phương pháp đếm thích hợp, đếm được theo số vòng biến dạng

b Phương pháp đếm số vòng biến dạng

Các đường cong lặp trên biểu đồ ứng suất – biến dạng có hai tính chất cơ bản,

đó là tính chất MASING và tính chất nhớ lại

- Tính chất MASING: theo MASING thì dạng của các nhánh vòng lặp phải phù

hợp với đoạn đường cong do đặt tải lần đầu sinh ra (đoạn đường cong này được gọi là đường cong đầu)

Theo tính chất này thì giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu luôn có quan hệ mật thiết với nhau, có khả năng tạo thành một vòng lặp kín với những đặc thù sau: Là một đường liên tục thì chỉ có tải trọng tĩnh tác dụng; Khi chịu nén có dạng tương tự khi chịu kéo Dưới tác dụng của tải trọng lặp, vòng ứng suất – biến dạng lệch đi so với đường cong đầu theo một quy luật nhất định Quy luật này gọi là tính chất nhớ lại của vật liệu

- Tính chất nhớ lại: Vật liệu có khả năng nhớ lại, thể hiện ở 3 điểm sau:

Điểm nhớ 2 (M2): Sau khi khép lại một vòng lặp (4-5-4) thì cấu kiện sẽ biến dạng tiếp theo đoạn (3-4) để nối thành nhánh (3-4-6) Ở đây M2 nằm trong đoạn (3-4-6) và trùng với điểm 4

Điểm nhớ 3 (M3): Là điểm giao giữa một nhánh vòng lặp (6-3) hoặc (6-3-7) với đường cong đầu Điểm M3 nằm trên đoạn kéo dài của đường cong đầu Nghĩa là đường cong ứng suất – biến dạng sẽ khép lại các nhánh mới để trở về đường cong đầu tại điểm M3 Điểm này là những điểm trung gian nằm trên đường cong đầu

Các vòng lặp được mô tả trên biểu đồ ứng suất – thời gian Mỗi vòng lặp được đếm là một chu kỳ Trên cơ sở số vòng đếm được sẽ cho phép lập thành phổ ứng suất

1.3.4 Phân tích chọn phương pháp

- Để lựa chọn được phương pháp áp dụng vào luận văn, ta tiến hành phân tích

ưu nhược điểm của các phương pháp, được thể hiện qua bảng sau đây:

Stt Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm

- Đạt yêu cầu về độ chính xác

- Xét được cả tổ hợp tải trọng phức tạp và thứ tự của chúng

- Dự đoán trước đường cong mỏi

- Phải cung cấp ứng suất ở giai đoạn đàn hồi ở khu vực

có ứng suất tập trung

- Ảnh hưởng của công nghệ chế tạo lớn

- Khó xác định được điểm bắt đầu xuất hiện vết nứt

- Xét được cả tổ hợp tải trọng phức tạp và thứ tự của chúng

- Phải cung cấp ứng suất của giai đoạn đàn hồi ở khu vực

xe chạy cũng được sử dụng rộng rãi

- Kết quả của phương pháp phân tích phụ thuộc vào biên độ ứng suất thực tế của kết cấu và đường cong mỏi thực tế của kết cấu Việc xác định đường cong mỏi thực tế của kết cấu là rất khó vì thông thường đường cong mỏi xây dựng từ kết quả trên các mẫu thí nghiệm Và sự khó khăn nêu trên nên trong luận văn sẽ tiến hành lựa chọn theo hướng sử dụng các đường cong mỏi đã có trong các tiêu chuẩn của các khu vực có nền khoa học phát triển là Mỹ và Châu Âu Với đường cong mỏi (S-N) đã tham khảo từ các tiêu chuẩn trên thế giới, do đó bài luận văn sẽ tập trung vào phân tích biên

độ ứng suất thực tế trong kết cấu bằng cách có xét đến các yếu tố cục bộ ảnh hưởng đến kết quả biên độ ứng suất

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CÔNG TRÌNH CẦU

THEO LÝ THUYẾT MỎI

2.1 Đường cong mỏi chuẩn

- Gần một thế kỷ qua, thế giới càng ngày càng quan tâm đến độ bền và tuổi thọ của kết cấu thép nói chung và cầu thép nói riêng Tuy nhiên thép cũng có nhược điểm là dễ bị

rỉ và nhất là sẽ yếu đi rất nhiều khi chịu tác dụng của tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần Từ mối quan hệ này các nhà khoa học đã tổng kết và xây dựng thành lý thuyết mỏi, sau phát triển thành lý thuyết về tuổi thọ cho kết cấu nói chung và cho kết cấu cầu nói riêng

- Đi tiên phong về vấn đề này là hai trung tâm khoa học lớn nhất: châu Âu và

Mỹ, kết quả là họ đã đưa ra được các tiêu chuẩn kỹ thuật Eurocode và AASHTO Trong đó phần nói về mỏi và tuổi thọ của cầu, nhất là cầu thép được quan tâm đặc biệt

và thu được nhiều kết quả mới

- Làm hậu thuẫn cho lý thuyết mỏi và tuổi thọ của kết cấu công trình là một khối lượng khổng lồ các kết quả thí nghiệm mỏi Để xử lý số liệu thí nghiệm này, người ta phải

áp dụng nhiều thuật toán, ban đầu là xác xuất, thống kê, sau phát triển thành lý thuyết độ tin cậy Kết quả dễ nhìn thấy nhất là các biểu đồ gồm một số các đường cong mỏi

- Phương pháp tính mỏi theo quan điểm tích lũy tổn thương đòi hỏi các thông tin đầu vào là đường cong mỏi của vật liệu ban đầu và lịch sử trong quá trình khai thác Như đặc điểm đã nêu của bài toán mỏi của cầu thép ở nước ta, các điều kiện đó là không thể đáp ứng được Bởi vậy, muốn đánh giá ảnh hưởng của chúng tới tuổi thọ mỏi của một công trình nào đó cần phải tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm cụ thể Có thể nói rằng, bất kỳ một nghiên cứu nào nhằm đưa vào tính toán đặc trưng mỏi của vật liệu cầu thép cũ ở nước ta mà không được kiểm chứng bằng thực nghiệm đều gây ra sự nghi ngờ

có cơ sở về tính chính xác của kết quả tính [5]

- Bằng phương pháp thực nghiệm, khi thừa nhận rằng chế độ tải trọng trong quá khứ làm các tổn thương bên trong vật liệu được tích lũy lại và được biểu hiện hoàn toàn bởi đặc trưng độ bền mỏi của vật liệu ở thời điểm hiện tại, theo tiêu chuẩn châu Âu EC3 [2] ta chọn được đường cong mỏi và giả thiết đó là đường cong mỏi của vật liệu ở thời điểm hiện tại và cũng chính là đường cong mỏi còn lại của vật liệu thép ban đầu Căn cứ vào phổ tải trọng dự kiến khai thác trong tương lai và áp dụng các lý thuyết đang được chấp nhận ta có thể xác định được thời gian sử dụng còn lại của công trình về chịu mỏi

- Bản chất của mỏi, thí nghiệm và xây dựng các đường cong mỏi, ở các nước đều giống nhau nhưng đưa vào vận dụng có sự khác biệt Riêng ở châu Âu, cùng với

quá trình vận động xây dựng cộng đồng kinh tế châu Âu, các nước ở đây cũng từng bước thống nhất về các tiêu chuẩn kỹ thuật Từ chỗ mỗi nước sử dụng một tiêu chuẩn thiết kế cầu, đến nay họ cho ra một bộ tiêu chuẩn thiết kế chung cho tất cả các nước

Đó là bộ tiêu chuẩn Eurocode (EC) từ tập 1 đến tập 8 [2]

- Để đáp ứng cho nhiều nước và dễ sử dụng, họ đưa ra một hệ đường cong mỏi gồm 14 đường cong mỏi song song với nhau

40 50 63 80 100

125 160

10

50

100

Hình 2.1 Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn Châu Âu EC3

Bảng 2.1 Bảng các số liệu cơ bản về độ bền mỏi của thép cơ bản

A B B'

C & C' D E E'

Bảng 2.2 Số hiệu về đường cong mỏi theo AASHTO

Loại Chi tiết Giới hạn (MPA)

Bu lông M164M (A325M) chịu kéo dọc trục 214

Bu lông M253M (A490M) chịu kéo dọc trục 262

- Tiêu chuẩn Mỹ xét đến đặc điểm của mỗi loại kết cấu thép, gần với thực tế hơn Đối với EC3 sẽ sử dụng thuận tiện hơn, nhất là đối với những nước nhỏ, không

có khả năng tổ chức nhiều thí nghiệm mỏi (vì khá tốn kém) Các đường cong mỏi thường có một hay hai giới hạn (Độ bền lâu dài, giới hạn đưới của đường cong mỏi) Giới hạn mỏi cho phép: là các giới hạn đàn hồi được chọn trong điều kiện kết cấu chịu tác dụng của tải trọng lặp Giới hạn này được xác định với điều kiện bảo đảm ứng suất vẫn còn trong giới hạn có xét đến sử dụng các hệ số an toàn (là các số liệu ghi thành cột trong các bảng liên quan với các hệ đường cong mỏi)

- Từ những nội dung trên, trong luận văn sẽ sử dụng đường cong mỏi trong tiêu chuẩn Châu Âu EC3 và AASHTO để tính toán Từ các đường cong mỏi theo tiêu chuẩn kết hợp với quan trắc kiểm tra hiện trường, cấu kiện từ thực tế có thể xác định được độ bền mỏi lâu dài D và Trị số giới hạn độ bền mỏi L

2.2 Phổ tải trọng công trình

2.2.1 Tải trọng của đoàn xe

- Việt nam đang hội nhập ngày càng sâu vào khu vực và thế giới Cùng với quá trình này là sự gia tăng của khối lượng vận chuyển, làm cho mật độ xe ở nhiều nơi tăng lên quá cao và số lượng xe có tải trọng lớn xuất hiện ngày càng nhiều Trong lúc

hệ thống cầu ở nước ta còn yếu kém, thì việc cho nhiều xe tải nặng hơn tải trọng thiết

kế lưu hành sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến an toàn của công trình

- Tải trọng tác dụng trên các tuyến đường được xem là một quá trình ngẫu

nhiên và tương ứng với cấu tạo ngẫu nhiên của mỗi chiếc xe và cả đoàn xe đang di chuyển Khi đo đạc các cầu dưới tác dụng của đoàn xe, những kết quả thu được đã chỉ

ra rằng ứng suất phát sinh ở các bộ phận trên cầu dưới tác dụng của tải trọng thực thực

tế thường thấp hơn ứng suất tính toán do tải trọng đoàn xe tiêu chuẩn sinh ra Vì vậy thật không kinh tế chút nào khi tính sức chịu mỏi của cầu lại căn cứ vào tải trọng tiêu chuẩn Cho nên để nghiên cứu mức độ mỏi thực tế của cầu cần xếp loại các chu kì ứng suất thành nhiều cấp theo độ lớn của ứng suất

- Xuất phát từ thực tế đó, ta cần phải đo đạc được biểu đồ ứng suất theo thời gian dưới tác dụng của tải trọng xe hằng ngày trên cầu, từ đó sử dụng các phương pháp đếm chu kỳ lặp tải để xác định lại phổ tải trọng tác dụng lên cầu, làm cơ sở để tính toán sức chịu mỏi còn lại của cầu

2.2.2 Phương pháp đo đạc

2.2.2.1 Giới thiệu về “Wireless Structural Bridges Testing System (WiFi-STS)”

Hệ thống “Wireless Structural Bridges Testing System” là sản phẩm của hãng Bridge Diagnostics, INC – (USA) được gọi tắt là STS-WiFi Đây là bộ sản phẩm được thiết kế theo đơn đặt hàng của Cục đường bộ liên bang Hoa Kỳ (FHWA) dùng để đo đạc các ứng xử của kết cấu công trình cầu như: Ứng suất biến dạng, độ võng và gia tốc dao động của cầu dưới tác dụng của hoạt tải xe cộ Thiết bị STS-WiFi hoạt động theo công nghệ không dây cho phép rút ngắn thời gian lắp đặt thiết bị tại hiện trường và rất linh động trong việc kiểm tra các ứng xử của kết cấu sẽ làm giảm giá thành trong các công tác quan trắc và đánh giá khả năng chịu lực các công trình cầu đã được đưa vào khai thác sử dụng [6]

Hình 2.3 Các bộ phận của “Wireless Structural Bridges Testing System”

2.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của “Wireless Structural Bridges Testing System”

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của “Wireless Structural Bridges Testing System”

được thể hiện như (Hình 2.3) Hệ thống gồm có bốn bộ phận cơ bản: “Personal

computer” có nhiệm vụ điều khiển hệ thống; “Base station” có tác dụng mở rộng phạm

vi hoạt động của hệ thống không dây bằng cách sử dụng năng lượng cao của các

“Antennas” và làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống bằng việc xây dựng chế độ